Исследовательский проект "Экосистема в банке"

Экосистема в банке

Коржов Артём

Учащийся 10 класса  МКОУ «Богучарский лицей»                                                                      руководитель Айметова Т.А.  учитель биологии

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………	3
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ РАБОТЫ ………………………….	4
2.1 . Экосистема …биогеоценоз………………………………..	5
2.2. Роль растительных сообществ в биогеоценозах.………..	7
2.3 Фотосинтез ………………………………………………..	8
3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ……………………………           3.1. Опыты с хлорофиллом …………………………………..	10
3.2. Опыты с растением……………………………………….	11
3.3. Создание экосистемы в банке……………………………	12
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….	13
5. ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………..	15
6. ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………	16

1.     ВВЕДЕНИЕ

Жизнью движет…

слабый непрекращающийся

поток солнечного света.

Альберт Сент-Дьердьи

Что является основой жизни на нашей планете? От какого процесса зависит жизнь на планете Земля?

При изучении темы «Автотрофный тип обмена веществ», я пришел к выводу, что жизнь на нашей планете, за очень немногими исключениями, зависит от энергии, на мгновение приобретаемой электроном. Процесс, в котором часть этой энергии превращается в химическую энергию, которую могут использовать живые организмы, называется фотосинтез. Фотосинтез – это необходимое связующее звено между живой и неживой природой. Все мы полностью зависим от фотосинтеза, к осуществлению которого замечательно приспособлены растения.

ГИПОТЕЗА

Растения способны к относительно автономному существованию.

Цель работы: создав экосистему в замкнутом пространстве, доказать относительную автономность существования растений.

Задачи:

¾   изучить особенности строения и существования экосистем;

¾   изучить условия, необходимые для фотосинтеза;

¾   экспериментально доказать необходимость света для процесса фотосинтеза в растениях;

¾   создать экологическую систему в замкнутом пространстве (банке);

¾   экспериментально определить срок существования растительного сообщества в замкнутом пространстве.

Актуальность

В настоящее время во всем мире пристальное внимание уделяется проблеме загрязнения атмосферы и его вредного воздействия на здоровье населения и другие объекты биосферы. Научно-технических прогресс — это величайшее благо, если он служит человеку, делу мира и благосостояния народов. Но он может иметь, как показало время, свою оборотную сторону — вредно воздействует на окружающую среду. Сейчас, как никогда раньше приобретают особый смысл слова Ф. Энгельса, который предупреждал, что не следует слишком обольщаться победами над природой, ибо за каждую такую победу природа мстит человеку.

Концентрация углекислого газа (СО₂) в атмосферном воздухе планеты на 23 % выше, нежели 150 лет назад, и по расчетам и прогнозам многих отечественных и зарубежных ученых она возрастает со скоростью от 0,4 до 3,5 % в год.

В результате своей деятельности человечество потребляет кислорода больше, чем производится за счет фотосинтеза. Еже­годно атмосфера недополучает более 30 млрд т кислорода. В ат­мосферу СО₂, попадает, в основном, от сжигания ископаемого топлива, а вырубка тропических лесов способствует дополни­тельному поступлению в воздушный бассейн 1,6 млрд т СО₂ в год. Это повлечет усиление парникового эффекта, увлажнение климата, потепление.

Понимание роли, которую выполняют растительные сообщества на планете, зная насколько хрупок «мост» (фотосинтез), связывающий неживую и живую природу,  позволит сохранить жизнь на Земле.

2.     ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ РАБОТЫ

2.1  Экосистема … биогеоценоз.

Что поставить между этими понятиями? И? ИЛИ? А может знак «равенство»?  

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности.

Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие запаса неорганических молекул в усвояемой форме и трех функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Масштабы экосистемы в природе чрезвычайно различны.

В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.

В некоторых типах экосистем вынос вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, степи, озера и т. п.). Однако ни одна, даже самая крупная, экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота. Материки интенсивно обмениваются веществом с океанами, причем большую роль в этих процессах играет атмосфера, и вся наша планета часть энергии получает из космического пространства, а часть отдает в космос.

Параллельно с развитием концепции экосистем успешно развивается учение о биогеоценозах, автором которого был академик В. Н. Сукачев (1942).

«Биогеоценоз – это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющих свою специфику взаимодействия этих слагаемых ее компонентов и определенный тип обмена веществами и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии» (В. Н. Сукачев, 1964).

«Экосистема» и «биогеоценоз» – близкие по сути понятия, но если первое из них приложимо для обозначения систем, обеспечивающих круговорот любого ранга, то «биогеоценоз» – понятие территориальное, относимое к таким участкам суши, которые заняты определенными единицами растительного покрова – фитоценозами.

В биогеоценозе В. Н. Сукачев выделял два блока: экотоп – совокупность условий абиотической среды и биоценоз – совокупность всех живых организмов.

Экотоп часто рассматривают как абиотическую среду, не преобразованную растениями (первичный комплекс факторов физико-географической среды), а биотоп – как совокупность элементов абиотической среды, видоизмененных средообразующей деятельностью живых организмов. Биоценоз это сообщества растений, животных, грибов и  микроорганизмов.

Обе концепции – экосистем и биогеоценозов – дополняют и обогащают друг друга, позволяя рассматривать функциональные связи сообществ и окружающей их неорганической среды в разных аспектах и с разных точек зрения.

2.2.          Роль растительных сообществ в биогеоценозах.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений. Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других, т. е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в сообществах – это механизмы передачи энергии от одного организма к другому. В каждом сообществе трофические связи переплетены в сложную сеть. Организмы любого вида являются потенциальной пищей многих других видов.

Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными, или цепями потребления), а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, – детритными цепями разложения. Таким образом, поток энергии, входящий в экосистему, разбивается далее как бы на два основные русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез.

Таким образом, основой любой экосистемы являются автотрофные организмы, в основном низшие и высшие растения.

Роль растений:

1.     Космическая роль растений – преобразование солнечной энергии в энергию химических связей в органических веществах;

2.     Создание органических веществ из неорганических;

3.     Образование кислорода и его накопление в атмосфере;

4.     Поглощение углекислого газа и поддержание постоянного состава атмосферы;

5.     Средообразующая роль – создание мест обитания, микроклимата для других  живых организмов;

2.3. Фотосинтез

Процесс фотосинтеза — это основной путь, по которому практически вся энергия входит в нашу биосферу. Каждый год в процессе фотосинтеза на земном шаре образуется более 150 млрд. т сахара.

Значение фотосинтеза не осознавалось до сравнительно недавнего времени. Аристотель и другие ученые Греции, на­блюдая, что жизненные процессы животных зависят от потребления пищи, полагали, что растения добывают свою «пищу» из почвы.

Немногим более 300 лет назад в одном из первых тща­тельно продуманных биологических экспериментов голланд­ский врач Ян Баптист ван Гельмонт (1577—1644) представил первое доказательство того, что не одна почва кормит расте­ние. Ван Гельмонт выращивал маленькое дерево ивы в гли­няном горшке, добавляя в него только воду. Через пять лет масса ивы увеличилась на 74,4 кг, в то время как масса почвы уменьшилась только на 57 г. На основании этих данных ван Гельмонт сделал вывод о том, что все вещества растения образуются из воды, а не из почвы и воздуха!

В конце XVIII в. английский ученый Джозеф Пристли (1733—1804) сообщил, что он «случайно обнаружил метод исправления воздуха, который был испорчен горением све­чей». 17 августа 1771 г. Пристли «поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, в котором сгорела восковая свеча», а 27-го числа того же месяца обнаружил, что «другая свеча снова могла гореть в этом же сосуде». «Исправляющим нача­лом, которым для этих целей пользуется природа, —полагал Пристли, — было растение». Он расширил свои наблюдения и скоро показал, что воздух, «исправляемый» растением, не был «совсем неподходящим для мыши». Опыты Пристли впервые позволили логически объяснить, почему воздух на Земле остается «чистым» и может поддерживать жизнь, несмотря на горение бесчисленных огней и дыхание множе­ства животных.

Позднее голландский врач Ян Ингенхауз подтвердил работу Пристли и показал, что воздух «исправляется только на солнечном свету и только зелеными частями растения. В 1796 г. Ингенхауз предположил, углекислота разлагается при фотосинтезе с образованием углерода и кислорода, а кислород выделяется в виде газа. 

Сейчас известно, что фотосинтез проходит в две стадии, но только одна из них – на свету. Доказательства двухстадийности процесса впервые были получены в 1905 г. английским физиологом растений Ф.Ф. Блэкменом, который исследовал влияние освещенности и температуры на скорость фотосинтеза.

На первой стадии фотосинтеза (световые реакции) энергия света используется для образования АТФ и высокоэнергетических переносчиков электронов. На второй стадии фотосинтеза (темновые реакции) энергетические продукты, образовавшиеся в световых реакциях, используются для восстановления СО₂  до глюкозы.

Итоговое уравнение фотосинтеза:

6СО₂  + 12 Н₂О                 С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 6Н₂О

3.     ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ

3.1.           Опыты с хлорофиллом

Объект и методы исследования

О б ъ е к т а м и  и с с л е д о в а н и я являются растения, органы растений.

Цель исследования: определить условия необходимые для фотосинтеза, определить исходные вещества и продукты реакций фотосинтеза, доказать необходимость света для фотосинтеза.  

Опыт 1.

Выделение хлорофилла из листа

Измельчили   листья традесканции  ножницами,  поместили  в  ступку,  прилили  немного  спирта, растерли и отфильтровали в чистую сухую пробирку. (Приложение, Фото1)

Результат: получили спиртовую вытяжку

Вывод: хлорофилл растворяется в спирте, его раствор зеленого цвета.

Опыт 2

Разрушение хлорофилла по действием соляной кислоты

В вытяжку  из хлорофилла добавили несколько капель слабого раствора соляной кислоты. (Приложение Фото2)

Результат: зеленая окраска изменилась на оливково-бурую.

Вывод: так как в состав хлорофилла входит магний, под действием соляной кислоты он вытесняется атомами водорода. Можно предположить, что атом магния и придает окраску хлорофиллу.

Опыт 3

Разделение пигментов методом хроматографии.

Приготовили спиртовую вытяжку хлорофилла из двух листьев с разной интенсивностью окраски, опустили в пробирки полоски фильтровальной бумаги,  через 20 минут пигменты разной окраски распределились на разной высоте на полоске. (Приложение, Фото3)

Результат: Пигменты расположились в следующем порядке сверху вниз: красные, желтые, зеленые.

Вывод: в состав листьев входят различные пигменты: желтого цвета (каротиноиды), зеленого (хлорофилл), красного (антоцианы).

Опыт 4

Необходимость света для образования хлорофилла.

В два пластиковых контейнера посадили семена пшеницы. Один контейнер поставили в темный шкаф, другой на полку возле окна. (Приложение, Фото 4)

Результат: Семена в шкафу проросли быстрее, но листья были желтого цвета. Во втором контейнере проростки были зеленого цвета. Через пару часов проростки, которые были в шкафу, приобрели зеленый оттенок, через сутки стали зеленого цвета.

Вывод: Для образования хлорофилла необходим свет.

3.1.          Опыты с растением

Опыт 1

Поглощение углекислого газа при фотосинтезе.

Для опыта взяли взрослое растение герань, регистратор данных SPARK SLS, сенсор углекислого газа цифровой лаборатории PASCO. Прикрепили сенсор углекислого газа к горшку с геранью. Растение вместе с датчиком закрыли полиэтиленовым пакетом, закрепили скотчем, таким образом,  чтобы воздух не проникал во внутрь.

Результат: Первоначальное показание сенсора углекислого газа – 1291 молекул CO₂ на миллион частиц воздуха. Содержание углекислого газа периодически менялось в течение 5 суток. Наибольшее число частиц – 500000, наименьшее – 0. В темное время суток содержание углекислого газа повышалось, днем уменьшалось, при ярком солнечном освещении достигало минимума. (Приложение, Фото5,6,7,8)

Вывод: В процессе фотосинтеза поглощается углекислый газ, наиболее интенсивно при ярком солнечном свете.

Опыт 2

Образование органических веществ (крахмал) в зеленых листьях растения на свету.

Для опыта использовали китайскую розу. Прикрепили к листу полоску черной бумаги с вырезанной в центре фигурой.  На следующий день срезали лист и обесцветили его. Для этого опустили лист в кипяток, потом в горячий спирт. Хлоропласты разрушаются, лист обесцветился. Промыли лист водой и залили слабым раствором йода. (Приложение, Фото 9)

Результат: Часть листа, которая освещалась,  окрасилась в темно-синий цвет, в центре листа стала видна темно-синяя фигура.

Вывод: На свету в листьях образуется крахмал.

3.2.          Создание экосистемы в банке.

Экосистема в банке.

Для создания экосистемы в банке взяли стеклянную емкость (трехлитровая банка), грунт, семена растений (гипоестес), ракушки (для декорации), мох. В банку на дно поместили грунт, ракушки, налили 100 мл воды, посадили семена. Прикрыли железной крышкой. Спустя неделю, после прорастания семян, банку закрыли плотно, с помощью закатывающей машинки. (Приложение, Фото 10, 11, 12, 13, 14)

Результат: Семена проросли, растения развиваются, растут медленно. При этом проростки не погибли, в январе стали расти активнее.

Вывод: В замкнутом пространстве растения способны существовать автономно, т.к. при фотосинтезе образуется кислород необходимый для дыхания и органические вещества, при дыхании образуется углекислый газ необходимый для фотосинтеза. 

4.     ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

5 января 2016 года Владимир Владимирович Путин подписал Указ о проведении в 2017 году в Российской Федерации Года экологии. И действительно проблема охраны окружающей среды в настоящее время стала настолько актуальной, что требует внимания со стороны государства.

Антропогенные изменения окружающей природной среды могут вести к ухудшению здоровья населения, дестабилизации общества и государства, потерям в экономике, снижению воз­можности природы поддерживать жизнь человека, поэтому наи­большую экологическую опасность представляет крупномасштаб­ное загрязнение природной среды, городов и регионов в резуль­тате работы предприятий, транспорта, ведения сельского хозяй­ства, происходящих катастроф и аварий с выбросом вредных ингредиентов в среду обитания человека.

Анализируя результаты своей исследовательской работы я пришел к следующим выводам:

1.     Наша планета открытая система и жизнь поддерживается благодаря солнечной энергии, которую растения способны преобразовывать  в энергию химических связей органических веществ.

2.     Растения способны поддерживать естественный баланс кислорода и углекислого газа в атмосфере за счет процессов дыхания и фотосинтеза, обеспечивая кислородом все живые организмы.

3.     Загрязнение атмосферы приводит к образованию кислотных дождей, которые разрушают хлорофилл и влияют на жизнедеятельность растений, нарушая устойчивость экосистем.

4.     Растения способны к относительно автономному существованию за счет особенностей процессов обмена веществ, что доказано мною при создании экосистемы в банке.

5.     И главный вывод: растения способны существовать без человека, а человечество без растений  - нет.

Моя исследовательская работа не закончена, потому что на вопрос «Сколько времени может существовать растительное сообщество в закрытом сосуде?» я не ответил. Опыт был заложен в октябре 2016г, растения растут в закрытом пространстве четыре месяца. Я продолжу наблюдения за данной экосистемой и возможно сделаю новые выводы.

5.     ЛИТЕРАТУРА

1.            Артамонов В. И. «Занимательная физиология растений». – М.: Агропромиздат, 1991г.

2.            Батурицкая Н. В., Фенчук Т. Д. Удивительные опыты с растениями: Кн. для учащихся.—Мн.: Нар.  асвета, 1991.

3.            Денисова И.А., Денисов В.В. «100 экзаменационных ответов по экологии»: - Ростов н\Д: Феникс, 2012г.

4.            Джувеликян Х.А. «Экология и человек». – Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 1999г.

5.            Пчелов А. М. «Природа и ее жизнь». – Л.: Жизнь, 1990

6.            Рейви П. Эверст Р., Айкхорн С. «Современная ботаника» : Пер. с английского – М.: Мир, 1990г.

7.            Сергеев И. И. «История фотосинтеза». – М.: Наука, 1989

6.     ПРИЛОЖЕНИЕ

Фото1 «Выделение хлорофилла из листа»

Фото2 «Разрушение хлорофилла по действием соляной кислоты»

Фото 3 «Разделение пигментов методом хроматографии»

Фото 4 «Необходимость света для образования хлорофилла»

Фото 5 «Поглощение углекислого газа при фотосинтезе»

Фото 6 «Первоначальные показания датчика»

Фото 7 «Показания датчика в солнечную погоду»

Фото 8 «График отражающий изменения количества углекислого газа в течение пяти дней»

Фото 9 «Образование органических веществ (крахмал) в зеленых листьях растения на свету»

Фото 10 «Экосистема в банке»

Фото 11 «Экосистема в банке. Первые проростки» 

Фото 12 «Экосистема в банке. Герметизация банки» »

Фото 13 «Экосистема в банке. Декабрь 2016г» »

Фото 14 «Экосистема в банке.  Январь 2017г»